非线性微分代数系统的控制理论与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学

作者:张秀华

出品人:

页数:182

译者:

出版时间:2007-9

价格:32.00元

装帧:

isbn号码:9787030197528

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• 数学
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《现代控制理论基础与工程实践》 本书旨在为读者构建坚实的现代控制理论知识体系，并重点阐述其在各类工程领域的实际应用。全书分为理论基础和工程应用两大板块，力求理论与实践紧密结合，使读者不仅理解控制系统的数学模型和分析方法，更能掌握如何将这些理论工具转化为解决实际工程问题的有效手段。 第一部分：现代控制理论基础 本部分将深入剖析现代控制理论的核心概念与方法，为读者打下坚实的理论根基。 第一章：线性定常系统状态空间描述 1.1 状态变量的引入与意义： 探讨状态变量如何能够完全描述一个动态系统的内部状况，以及其在系统分析中的核心地位。 1.2 连续时间线性定常系统的状态空间方程： 详细推导并阐述连续时间系统的一阶微分方程组形式，即$dot{x}(t) = Ax(t) + Bu(t)$和$y(t) = Cx(t) + Du(t)$，分析矩阵A、B、C、D的物理意义和作用。 1.3 离散时间线性定常系统的状态空间方程： 介绍离散时间系统状态空间方程$x(k+1) = Ax(k) + Bu(k)$和$y(k) = Cx(k) + Du(k)$，并讨论其与连续时间系统的联系和区别。 1.4 系统的基本性质分析（可控性与可观测性）： 深入研究系统实现任意状态转移的能力（可控性）以及通过输出测量系统内部状态的能力（可观测性），推导判别矩阵，并分析其对系统设计的重要性。 1.5 线性定常系统的传递函数矩阵： 从状态空间描述出发，推导系统的传递函数矩阵，展示系统输入输出之间的频率域关系。 1.6 状态转移矩阵的计算与性质： 讲解如何计算状态转移矩阵，并讨论其在求解齐次和非齐次状态方程中的作用。 第二章：线性系统的时域分析与稳定性 2.1 零输入响应与零状态响应： 分别分析在无外部输入和无初始状态下的系统响应，理解系统内部动态特性。 2.2 系统的瞬态响应分析： 探讨单位阶跃响应、脉冲响应等典型输入下的系统表现，如上升时间、超调量、调节时间等关键性能指标。 2.3 Routh-Hurwitz稳定性判据： 介绍基于特征方程系数的稳定性判据，提供了一种简单有效的代数方法来判断线性系统的稳定性。 2.4 根轨迹法： 详细讲解根轨迹的绘制原理和方法，以及如何通过改变增益来分析系统闭环极点的位置变化，进而评估系统性能和稳定性。 2.5 奈奎斯特稳定性判据： 介绍基于开环传递函数频率响应的稳定性判据，并分析幅相裕度对系统稳定性的指示意义。 2.6 伯德图分析： 讲解伯德图（幅频特性和相频特性曲线）的绘制和解读，以及如何利用伯德图来分析系统的频率响应特性、确定增益和相角裕度。 第三章：线性系统的现代控制设计 3.1 全状态反馈设计： 讲解如何通过设计状态反馈增益矩阵K，将闭环系统极点配置到期望的位置，实现系统性能的优化。 3.2 状态观测器设计： 介绍当系统状态变量无法直接测量时，如何设计状态观测器（如Luenberger观测器）来估计系统状态，并分析观测器增益的选择。 3.3 极点配置原理与方法： 综合利用全状态反馈和状态观测器，实现任意极点配置，达到预期的控制目标。 3.4 PID控制器设计与整定： 深入讲解比例-积分-微分（PID）控制器的原理，分析P、I、D参数对系统性能的影响，并介绍常用的整定方法（如Ziegler-Nichols方法）。 3.5 状态估计与卡尔曼滤波： 介绍卡尔曼滤波的基本原理，用于在存在噪声的情况下，以最优估计的方式获得系统状态。 第二部分：现代控制理论在工程中的应用 本部分将聚焦于现代控制理论在多个关键工程领域的实际应用案例，展现理论的强大生命力。 第四章：机器人控制系统设计 4.1 机器人动力学建模： 介绍机器人连杆模型、关节空间与笛卡尔空间转换，以及拉格朗日方程等方法建立机器人动力学方程。 4.2 逆运动学与轨迹规划： 讲解如何计算机器人末端执行器在期望位姿下各关节的角度，以及如何在时间和空间上规划机器人的运动轨迹。 4.3 PID控制在关节驱动中的应用： 分析如何利用PID控制器实现机器人关节的精确位置和速度控制。 4.4 模糊逻辑与神经网络在机器人控制中的集成： 探索如何利用模糊逻辑和神经网络的自适应能力，处理机器人系统中的不确定性和非线性。 第五章：航空航天飞行器控制 5.1 飞行器气动模型与简化： 介绍飞机、导弹等飞行器的基本气动特性，并进行必要的简化以建立数学模型。 5.2 姿态控制与稳定系统： 分析如何设计控制律来稳定飞行器的俯仰、滚转和偏航姿态。 5.3 自动驾驶仪设计： 介绍自动驾驶仪的核心功能，如航向保持、高度保持、自动起降等，并讨论其控制方法。 5.4 轨道控制与变轨设计： 探讨卫星、空间站等航天器在轨道上的位置保持与轨道变轨的控制策略。 第六章：过程控制系统应用 6.1 化工过程的典型控制对象： 分析反应器、蒸馏塔、换热器等化工设备的控制特点。 6.2 多变量系统与解耦控制： 讨论化工过程中常见的多输入多输出（MIMO）系统，以及如何采用解耦技术简化控制设计。 6.3 预测控制（MPC）原理与应用： 详细介绍模型预测控制的原理，即利用系统模型预测未来一段时间的系统行为，并优化控制序列，在化工、能源等领域有广泛应用。 6.4 安全仪表系统（SIS）设计考量： 探讨在过程控制中，如何设计和实施安全仪表系统以应对突发故障，确保生产安全。 第七章：电力系统稳定与控制 7.1 发电机-调相机组的动态模型： 建立电力系统中发电机和调相机组的数学模型，用于分析其暂态和稳态特性。 7.2 自动电压调节器（AVR）与励磁系统设计： 介绍AVR在维持电压稳定中的作用，以及不同励磁系统的控制策略。 7.3 汽轮机调速器与频率控制： 分析调速器如何控制汽轮机功率输出，以维持电网频率稳定。 7.4 故障分析与暂态稳定性： 讨论电网发生故障时，系统动态行为的变化，以及如何提高系统的暂态稳定性。 本书内容详实，逻辑严谨，旨在帮助读者建立起完整的现代控制理论知识体系，并具备将理论应用于实际工程问题的能力。书中案例丰富，贴近工程实际，适合从事控制工程、自动化、机械工程、电气工程、航空航天、化工等领域的研究人员、工程师及高等院校相关专业的研究生和高年级本科生阅读。

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这本书的排版和图示设计，说实话，没有达到当代教材的顶尖水平，但内容上的硬核程度是绝对值得称赞的。我个人在阅读过程中，最让我感到挫败的是对某些高级抽象概念的理解障碍。例如，书中涉及到的流形上的微分结构和张量分析，这已经远远超出了我本科阶段所学的控制理论范畴。当我试图去理解为什么特定的状态反馈需要转化为对特定李括号的运算时，我不得不花费大量时间去补习相关的纯数学知识。这本书的作者显然是将自己对控制理论最深刻、最本质的理解倾注其中，没有做任何形式上的“简化”来迎合初学者。因此，它更适合那些已经有一定基础，并且愿意投入时间进行“硬核”学习的读者。它不会手把手教你敲出代码，但它会让你明白代码背后那套数学逻辑的严密性。

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我不得不承认，这本书的出版对于学术界，尤其是在工业控制和机器人动力学研究领域，无疑是一股清流。它不像市面上许多教材那样侧重于对经典PID控制的修修补补，而是直接切入问题的核心——如何驾驭那些受自然规律严格约束，却又难以用简单线性模型近似的复杂系统。我印象最深的是书中关于“奇异摄动法”和“滑模控制”在高度非线性系统中的应用案例，这些内容非常具有启发性。它提供了一套严谨的数学工具箱，让你能够有理有据地去设计那些看似“大胆”的控制律。我尝试将书中的某些设计思路应用于一个高维度的机械臂控制模型中，虽然调试过程异常艰辛，但最终获得的鲁棒性和快速响应特性，是传统方法难以比拟的。这本书更像是一本高级研究手册，它指导的不是“如何做”，而是“为什么这么做，以及理论的边界在哪里”。对于资深的研究人员来说，它更像是一本可以随时翻阅以修正自己理论框架的参考书。

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作为一名长期关注自动化领域的工程师，我经常需要面对那些“不可控”的实际系统，比如高速列车的空气动力学耦合、高精度激光加工中的热形变反馈等，这些系统的非线性特征往往是决定成败的关键。阅读此书，我最大的收获是理解了如何从“控制”的视角，而不是单纯的“建模”视角去审视这些问题。书中对于“反馈线性化”方法的深入剖析，特别是当系统无法完全反馈线性化时，如何利用残余的非线性部分进行稳定化设计，这为我解决手头的一个复杂流体控制项目提供了全新的思路。这本书的价值不在于它提供了多少即插即用的算法，而在于它构建了一种全新的、基于几何和拓扑思想的控制系统分析范式。它挑战了我们对“控制”的传统认知，迫使我们将思考提升到更高的抽象层次。

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这本书的学术严谨性毋庸置疑，每一章的论证都建立在坚实的数学基础之上，参考文献的引用也体现了作者对该领域历史脉络的清晰把握。然而，对于一个偏好应用实践的读者来说，书中对实际工程案例的讨论相对较为简略。它更侧重于理论的可行性和数学上的优雅性，而对于实际操作中可能遇到的传感器噪声、执行器饱和、计算延迟等“脏活累活”的讨论着墨不多。我希望书中能增加更多关于如何将这些高阶控制理论落地到具体硬件平台的讨论，比如如何选择合适的数值积分方法来保证非线性系统在实时环境下的稳定性，或者如何量化由理论简化引入的误差。总的来说，这本书是理论研究者的宝藏，对于工程师来说，它更像是一本“理论指南针”，指明了前沿方向，但具体如何造船出海，还需要读者结合工程实践经验去摸索和补充。

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这是一本读起来让人感到有些“烧脑”的书籍，标题里那些“非线性”、“微分”、“代数”的词汇，对于初涉控制理论领域的读者来说，无疑是一道不小的门槛。我是在一个偶然的机会接触到这本书的，当时我正在为毕业设计寻找更深入的理论支撑，希望能从传统的线性系统控制框架中跳脱出来，去理解更复杂、更贴近现实的动态系统。这本书的理论深度毋庸置疑，它详尽地阐述了如何将那些看似毫无章法的非线性现象，通过精妙的代数工具和微分方程描述，构建起一套可分析、可预测的控制框架。尤其是其中关于李雅普诺夫稳定性分析的章节，作者的讲解逻辑清晰，从基础概念的引入到复杂应用的推导，层层递进，让人有种拨云见日的感觉。不过，坦白说，要想真正吃透书中的每一个公式和推导，需要读者具备扎实的数学功底，尤其是微分几何和抽象代数方面的知识背景，否则很容易在细节处迷失方向，只能停留在概念的表面。对于那些希望快速入门应用层面的读者，可能需要更多的耐心和反复研读。

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